JP2006260909A - Membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell using the same - Google Patents

Membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell using the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an MEA which has an excellent power generation property containing a non-platinum catalyst at a low production cost as well as a PEFC using the above MEA. <P>SOLUTION: The membrane electrode assembly (MEA) 20 is composed of an anode catalyst layer 110 containing a palladium alloy, a conductive carbon material carrying the above palladium alloy, and a proton conductive polyelectrolyte, a solid polyelectrolyte membrane 100, a cathode catalyst layer 110 containing a catalyst, a conductive carbon material carrying the above catalyst, and the proton conductive polyelectrolyte. The MEA 20 is used as a structural part of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 10. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly 以下、「MEA」とも記載する)およびこれを用いた固体高分子型燃料電池に関する。より詳細には、MEAの触媒層の改良に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”) and a polymer electrolyte fuel cell using the same. More specifically, the present invention relates to an improvement in the MEA catalyst layer.

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、燃料電池が車両用駆動源および定置型電源として注目されている。燃料電池は、電解質の種類や電極の種類等により種々のタイプに分類され、代表的なものとしてはアルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型がある。この中でも低温(通常100℃以下)で作動可能な固体高分子型燃料電池(PEFC)が注目を集め、近年、自動車用低公害動力源としての開発・実用化が進んでいる。PEFCの用途としては、車両用駆動源や定置型電源が検討されているが、これらの用途に適用されるためには、長期間に渡る耐久性が求められる。   In recent years, fuel cells have attracted attention as vehicle drive sources and stationary power sources in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems. Fuel cells are classified into various types depending on the type of electrolyte, the type of electrode, and the like, and representative types include alkaline type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid electrolyte type, and solid polymer type. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) that can operate at a low temperature (usually 100 ° C. or less) attracts attention, and in recent years, development and practical application as a low-pollution power source for automobiles is progressing. As a PEFC application, a vehicle drive source and a stationary power source have been studied, but in order to be applied to these applications, durability over a long period of time is required.

PEFCの構成は、一般的には、MEAをセパレータで挟持した構造となっている。MEAは、一般的には、ガス拡散層、アノード(燃料極)触媒層、固体高分子電解質膜、カソード(空気極)触媒層がこの順序で積層され、積層体が1対のガス拡散層によって挟持された構造を有する。電池反応は、触媒、触媒を担持する担体、およびイオン伝導性高分子からなる触媒層において進行する。   In general, the PEFC has a structure in which an MEA is sandwiched between separators. In MEA, a gas diffusion layer, an anode (fuel electrode) catalyst layer, a solid polymer electrolyte membrane, and a cathode (air electrode) catalyst layer are generally laminated in this order, and the laminate is formed by a pair of gas diffusion layers. It has a sandwiched structure. The battery reaction proceeds in a catalyst layer comprising a catalyst, a carrier supporting the catalyst, and an ion conductive polymer.

車両などの長期間に亘って使用される用途にPEFCが使用される場合には、PEFCが優れた耐久性を有することが求められる。PEFCの発電特性を低下させる原因としては、種々の原因が考えられるが、原因の一つとして、カソード側で生じやすい、触媒金属の固体高分子電解質膜への溶出が挙げられる。PEFCの起動停止や電位変動によって触媒金属がイオン化し、固体高分子電解質膜に流出する。固体高分子電解質膜に流出した金属イオンは水素ガスと会合し、固体高分子電解質膜内で金属が析出する。このような機構による触媒の減少により、PEFCの発電特性が低下する。   When a PEFC is used for a long-term use such as a vehicle, the PEFC is required to have excellent durability. Various causes can be considered as a cause of lowering the power generation characteristics of PEFC. One of the causes is elution of the catalyst metal to the solid polymer electrolyte membrane, which is likely to occur on the cathode side. The catalyst metal is ionized by the start / stop of the PEFC or the potential fluctuation, and flows out to the solid polymer electrolyte membrane. The metal ions flowing out to the solid polymer electrolyte membrane associate with hydrogen gas, and the metal is deposited in the solid polymer electrolyte membrane. Due to the reduction of the catalyst by such a mechanism, the power generation characteristics of the PEFC are deteriorated.

そこで、PEFCの触媒層に配置される触媒としては、触媒活性が高く、イオン化しにくい、白金および白金合金が用いられている(例えば、特許文献1参照)。しかしながら、白金は資源的に不安定で、高価な材料であるため、安価で資源的に安定な材料からなる触媒の開発が所望されている。
特開2005−32668号公報
Accordingly, platinum and platinum alloys that have high catalytic activity and are difficult to ionize are used as the catalyst disposed in the PEFC catalyst layer (see, for example, Patent Document 1). However, since platinum is a resource unstable and expensive material, it is desired to develop a catalyst made of a cheap and resource stable material.
JP 2005-32668 A

本発明の目的は、非白金系触媒を触媒として含む、製造コストが低く、かつ、発電特性に優れたMEAを提供することである。また、本発明の目的は、前記MEAを有するPEFCを提供することである。   An object of the present invention is to provide an MEA containing a non-platinum-based catalyst as a catalyst at a low production cost and excellent in power generation characteristics. Another object of the present invention is to provide a PEFC having the MEA.

本発明は、パラジウム合金、前記パラジウム合金を担持する導電性炭素材料、およびプロトン伝導性の高分子電解質を含むアノード触媒層と、固体高分子電解質膜と、触媒、前記触媒を担持する導電性炭素材料、およびプロトン伝導性の高分子電解質を含むカソード触媒層とを有する膜電極接合体である。また本発明は、前記膜電極接合体を有する固体高分子型燃料電池である。   The present invention relates to an anode catalyst layer including a palladium alloy, a conductive carbon material supporting the palladium alloy, and a proton conductive polymer electrolyte, a solid polymer electrolyte membrane, a catalyst, and a conductive carbon supporting the catalyst. A membrane electrode assembly having a material and a cathode catalyst layer containing a proton conductive polymer electrolyte. The present invention also provides a polymer electrolyte fuel cell having the membrane electrode assembly.

MEAのアノード触媒層における触媒としてパラジウム合金を用いることによって、発電特性に優れたMEAを、低コストで製造することが可能である。ひいては、発電特性に優れるPEFCを低コストで製造することが可能である。   By using a palladium alloy as a catalyst in the anode catalyst layer of MEA, it is possible to produce MEA having excellent power generation characteristics at a low cost. As a result, it is possible to manufacture a PEFC having excellent power generation characteristics at a low cost.

白金系触媒に比べて、パラジウム系触媒は、安価ではあるが発電性能に劣り、強酸性下における安定性にも劣る傾向がある。一般に、耐酸性は、Pt≒Pt−Co>Pd−Co>Pdである。ここで、強酸性下における安定性について考えてみると、白金がイオン化し固体高分子電解質膜に溶出する現象は、カソード側で生じやすく、アノード側では使用環境が比較的穏やかである。この事実に鑑み調査研究を進めたところ、アノード触媒層においては、白金系触媒の代わりにパラジウム系触媒を用いても優れた特性を有するPEFCが製造可能であり、MEAおよびPEFCの製造コストを削減できることがわかった。すなわち、本発明においては、アノード触媒層の触媒として、パラジウム合金を用いる。   Compared to platinum-based catalysts, palladium-based catalysts are inexpensive but have poor power generation performance and tend to be inferior in stability under strong acidity. In general, the acid resistance is Pt≈Pt-Co> Pd-Co> Pd. Here, considering the stability under strong acidity, the phenomenon that platinum is ionized and eluted into the solid polymer electrolyte membrane is likely to occur on the cathode side, and the use environment is relatively gentle on the anode side. In light of this fact, research progressed, and in the anode catalyst layer, it was possible to produce PEFCs with excellent characteristics even when palladium-based catalysts were used instead of platinum-based catalysts, reducing the manufacturing costs of MEA and PEFC. I knew it was possible. That is, in the present invention, a palladium alloy is used as a catalyst for the anode catalyst layer.

図1は、ガス拡散層、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、カソード触媒層、ガス拡散層がこの順序で積層されたMEAが、1対のセパレータにより挟持されたPEFCの断面模式図である。図に示すように、PEFC10は、固体高分子電解質膜100の両側に、酸化剤が供給されるカソード、および水素ガスが供給されるアノードが配置される。カソードおよびアノードは、それぞれ、触媒層110およびガス拡散層120を有する。固体高分子電解質膜100、触媒層110、およびガス拡散層120により、MEA20が構成される。MEA20の外部には、セパレータ130および集電体140が配置される。セパレータ130には、流路135が形成される。カソード側の流路135には、空気などの酸化剤が供給され、アノード側の流路135には水素ガスが供給される。
なお、PEFCの構成は、図1に示す実施態様に限定されるものではない。例えば、触媒層110とガス拡散層120との間には、フラッディング現象を防止するための撥水層が配置される。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a PEFC in which an MEA in which a gas diffusion layer, an anode catalyst layer, a solid polymer electrolyte membrane, a cathode catalyst layer, and a gas diffusion layer are stacked in this order is sandwiched by a pair of separators. . As shown in the figure, the PEFC 10 has a cathode supplied with an oxidant and an anode supplied with hydrogen gas disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 100. The cathode and anode have a catalyst layer 110 and a gas diffusion layer 120, respectively. MEA 20 is configured by solid polymer electrolyte membrane 100, catalyst layer 110, and gas diffusion layer 120. A separator 130 and a current collector 140 are disposed outside the MEA 20. A flow path 135 is formed in the separator 130. An oxidant such as air is supplied to the cathode-side channel 135, and hydrogen gas is supplied to the anode-side channel 135.
The PEFC configuration is not limited to the embodiment shown in FIG. For example, a water repellent layer for preventing a flooding phenomenon is disposed between the catalyst layer 110 and the gas diffusion layer 120.

以下、MEAおよびPEFCの各構成要素について、順に詳細に説明する。
アノード触媒層110は、パラジウム合金、前記パラジウム合金を担持する導電性炭素材料、およびプロトン伝導性の高分子電解質を含む。
Hereinafter, each component of MEA and PEFC will be described in detail in order.
The anode catalyst layer 110 includes a palladium alloy, a conductive carbon material that supports the palladium alloy, and a proton conductive polymer electrolyte.

パラジウム合金は、触媒層における触媒として作用する成分である。通常は、白金系触媒が用いられるところ、その全部または一部をパラジウム合金とすることにより、触媒の原料コストを削減できる。また、パラジウム合金を触媒層における触媒として用いることにより、優れた発電特性および耐久性を発現させることも可能である。触媒層中には、パラジウム合金以外の触媒成分を併用してもよいが、好ましくは、パラジウム合金は、アノード触媒層中の触媒の総質量に対して10〜100質量%含まれる。   The palladium alloy is a component that acts as a catalyst in the catalyst layer. Usually, a platinum-based catalyst is used. By using a palladium alloy for all or part of the catalyst, the raw material cost of the catalyst can be reduced. Further, by using a palladium alloy as a catalyst in the catalyst layer, it is possible to exhibit excellent power generation characteristics and durability. In the catalyst layer, a catalyst component other than the palladium alloy may be used in combination, but preferably, the palladium alloy is contained in an amount of 10 to 100% by mass with respect to the total mass of the catalyst in the anode catalyst layer.

パラジウム合金とは、パラジウムを主成分とする合金である。合金であるためある程度の不純物の混在は避けられないが、好ましくは、実質的に白金が含まれず、パラジウムと、白金以外の金属とからなる。ここでいう「実質的に白金が含まれず」とは、不純物として白金が含まれる態様を含む。好ましくは白金の含有量が1質量%以下であり、より好ましくは0.5質量%以下である。パラジウム合金の具体例としては、特に限定されないが、パラジウム−コバルト合金が挙げられる。パラジウムとコバルトとを合金化することによって、結晶構造および粒子表面の電子状態が変化し、耐酸性が改善されうる。
パラジウム−コバルト合金におけるパラジウムとコバルトとの存在比は、アノード触媒層における触媒活性(水素酸化活性)の観点からは、好ましくはPd/Co=5/1〜2/1である。
The palladium alloy is an alloy containing palladium as a main component. Since it is an alloy, a certain amount of impurities cannot be avoided, but it is preferably substantially free of platinum and composed of palladium and a metal other than platinum. As used herein, “substantially no platinum” includes an embodiment in which platinum is contained as an impurity. The platinum content is preferably 1% by mass or less, more preferably 0.5% by mass or less. Although it does not specifically limit as a specific example of a palladium alloy, A palladium-cobalt alloy is mentioned. By alloying palladium and cobalt, the crystal structure and the electronic state of the particle surface change, and the acid resistance can be improved.
The abundance ratio of palladium to cobalt in the palladium-cobalt alloy is preferably Pd / Co = 5/1 to 2/1 from the viewpoint of catalytic activity (hydrogen oxidation activity) in the anode catalyst layer.

また、パラジウム−コバルト合金は、表面がパラジウムで被覆されていることが好ましい。つまり、パラジウム−コバルト合金からなるコアと、パラジウムからなるシェルとからなる、コア−シェル構造を有することが好ましい。パラジウム−コバルト合金の表面をパラジウムで被覆することによって、コバルトの溶出を抑制することができる。   Moreover, it is preferable that the surface of the palladium-cobalt alloy is coated with palladium. That is, it is preferable to have a core-shell structure including a core made of a palladium-cobalt alloy and a shell made of palladium. By coating the surface of the palladium-cobalt alloy with palladium, elution of cobalt can be suppressed.

アノード触媒層に含まれるパラジウム合金の平均粒子径は、特に限定されないが、好ましくは3〜10nmである。粒子径がこの範囲であると、電気化学的反応が進行する面積が大きく、触媒利用率を高くすることができる。なお、パラジウム合金の平均粒子径は、例えば、走査型電子顕微鏡を用い、サンプルについて数〜数10視野中に観察される粒子の粒径を測定し、平均値を算出することによって測定される。   The average particle diameter of the palladium alloy contained in the anode catalyst layer is not particularly limited, but is preferably 3 to 10 nm. When the particle diameter is in this range, the area where the electrochemical reaction proceeds is large, and the catalyst utilization rate can be increased. In addition, the average particle diameter of a palladium alloy is measured by measuring the particle diameter of the particle | grains observed in several to several tens visual fields about a sample, for example using a scanning electron microscope, and calculating an average value.

パラジウム合金を担持する導電性炭素材料は、触媒の担体としての機能を有し、導電性を有する炭素材料である。電極反応が実際に進行する部位における電子の授受は、導電性炭素材料を通じて行われる。アノード触媒層の導電性炭素材料としては、特に限定されないが、好ましくはカーボンブラックおよび黒鉛化されたカーボンブラックが挙げられる。また、導電性炭素材料のパラジウム合金担持濃度は、特に限定されないが、担体である導電性炭素材料の総質量に対して30〜70質量%であることが好ましい。パラジウム合金を担持する導電性炭素材料の表面積は、好ましくは300〜1200m/gである。
導電性炭素材料にパラジウム合金を担持させる方法としては、含浸法、共沈法、コロイド法、逆ミセル法、および噴霧法など、各種方法が用いられうる。これらの中では、粒子組成の均一化・粒径制御ができるコロイド法および/または逆ミセル法が好ましい。
The conductive carbon material that supports the palladium alloy is a carbon material having a function as a catalyst carrier and having conductivity. Transfer of electrons at the site where the electrode reaction actually proceeds is performed through a conductive carbon material. The conductive carbon material for the anode catalyst layer is not particularly limited, but preferably includes carbon black and graphitized carbon black. Moreover, the palladium alloy carrying | support density | concentration of an electroconductive carbon material is although it does not specifically limit, It is preferable that it is 30-70 mass% with respect to the total mass of the electroconductive carbon material which is a support | carrier. The surface area of the conductive carbon material supporting the palladium alloy is preferably 300 to 1200 m 2 / g.
Various methods such as an impregnation method, a coprecipitation method, a colloid method, a reverse micelle method, and a spray method can be used as a method for supporting a palladium alloy on a conductive carbon material. Among these, a colloid method and / or a reverse micelle method that can make the particle composition uniform and control the particle size are preferable.

プロトン伝導性の高分子電解質は、PEFCの発電においてカソード・アノード間を移動するプロトンの移動度を高める役割を果たす。高分子電解質としては、触媒層において一般的に用いられているのであれば特に限定されない。具体的には、Nafion(デュポン社登録商標)などのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン伝導性の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン伝導体などの高分子電解質が挙げられる。   The proton conductive polymer electrolyte plays a role of increasing the mobility of protons moving between the cathode and the anode in PEFC power generation. The polymer electrolyte is not particularly limited as long as it is generally used in the catalyst layer. Specifically, a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group such as Nafion (registered trademark of DuPont), a hydrocarbon polymer compound doped with an inorganic acid such as phosphoric acid, a part of which is proton-conductive Examples include organic / inorganic hybrid polymers substituted with functional groups, and polymer electrolytes such as proton conductors in which a polymer matrix is impregnated with a phosphoric acid solution or a sulfuric acid solution.

固体高分子電解質膜100は、カソード触媒層とアノード触媒層との間に存在する、イオン伝導性の膜である。固体高分子電解質膜は、特に限定されず、触媒層に用いたものと同様のプロトン伝導性電解質からなる膜が用いられうる。例えば、デュポン社製の各種のNafion(登録商標)やフレミオン(登録商標)に代表されるパーフルオロスルホン酸膜など、一般的に市販されている固体高分子型電解質膜が用いられうる。高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。固体高分子電解質膜に用いられる高分子電解質と、触媒層に用いられるプロトン伝導性電解質とは、同じであっても異なっていてもよいが、触媒層と固体高分子電解質膜との密着性を向上させる観点からは、同じものを用いるのが好ましい。   The solid polymer electrolyte membrane 100 is an ion conductive membrane that exists between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer. The solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, and a membrane made of the same proton conductive electrolyte as that used for the catalyst layer can be used. For example, commercially available solid polymer electrolyte membranes such as various types of Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont and perfluorosulfonic acid membranes represented by Flemion (registered trademark) can be used. A membrane in which a polymer microporous membrane is impregnated with a liquid electrolyte, a membrane in which a porous body is filled with a polymer electrolyte, or the like may be used. The polymer electrolyte used for the solid polymer electrolyte membrane and the proton conductive electrolyte used for the catalyst layer may be the same or different, but the adhesion between the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane is From the viewpoint of improvement, it is preferable to use the same one.

固体高分子電解質膜の厚さは、得られるMEAの特性を考慮して適宜決定すればよいが、製膜時の強度や使用時の耐久性の観点からは薄すぎないことが好ましく、使用時の出力特性の観点からは厚すぎないことが好ましい。具体的には、固体高分子電解質膜の厚さは、好ましくは5〜300μm、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜150μmである。   The thickness of the solid polymer electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the properties of the obtained MEA, but is preferably not too thin from the viewpoint of strength during film formation and durability during use. From the viewpoint of the output characteristics, it is preferable that the thickness is not too thick. Specifically, the thickness of the solid polymer electrolyte membrane is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, and particularly preferably 15 to 150 μm.

カソード触媒層110は、触媒、触媒を担持する導電性炭素材料、およびプロトン伝導性の高分子電解質を含む。   The cathode catalyst layer 110 includes a catalyst, a conductive carbon material that supports the catalyst, and a proton conductive polymer electrolyte.

カソード側触媒層においては、酸素還元活性および耐久性の観点からは、触媒の全量をパラジウム合金とすることは難しい。このため、従来のPEFCと同様に、触媒として白金または白金合金が用いられる。あるいは、触媒として、白金または白金合金、およびパラジウム合金を用いる。白金合金としては、特に限定されないが、白金とイリジウムとの合金や白金とロジウムとの合金が挙げられる。パラジウム合金は、アノード触媒層の説明において上述した通りであるため、ここでは説明を省略する。   In the cathode side catalyst layer, it is difficult to make the total amount of the catalyst a palladium alloy from the viewpoint of oxygen reduction activity and durability. For this reason, platinum or a platinum alloy is used as a catalyst like the conventional PEFC. Alternatively, platinum or a platinum alloy and a palladium alloy are used as the catalyst. Although it does not specifically limit as a platinum alloy, The alloy of platinum and iridium and the alloy of platinum and rhodium are mentioned. Since the palladium alloy is as described above in the description of the anode catalyst layer, the description is omitted here.

白金系触媒とパラジウム系触媒とを併用する実施態様においては、部位に応じて白金系触媒とパラジウム系触媒とを使い分けることが適切である。触媒が劣化しやすい部位に白金系触媒を用いることによって、PEFCの耐久性を向上させることが可能である。   In the embodiment in which the platinum-based catalyst and the palladium-based catalyst are used in combination, it is appropriate to properly use the platinum-based catalyst and the palladium-based catalyst depending on the site. It is possible to improve the durability of PEFC by using a platinum-based catalyst at a site where the catalyst is likely to deteriorate.

例えば、図2に示すように、カソード触媒層を、第1触媒層112と第2触媒層114との二層構造にする。反応が集中しやすい固体高分子電解質膜100側の第1触媒層112には、白金または白金合金を配置する。そして、ガス拡散層120側の第2触媒層114には、パラジウム合金を配置する。このように、白金または白金合金は固体高分子電解質膜側に偏在させ、パラジウム合金は固体高分子電解質膜と対向する側に偏在させることにより、白金の使用量を減少させてMEAの製造コストを削減することができる。なお、図2には、カソード触媒層が2層構造となっている実施態様を示したが、明確に層が分離されていなくてもよい。例えば、白金系触媒およびパラジウム系触媒の配合比が、徐々に変化している実施態様や、3層以上の積層構造を有する実施態様などが挙げられる。   For example, as shown in FIG. 2, the cathode catalyst layer has a two-layer structure of a first catalyst layer 112 and a second catalyst layer 114. Platinum or a platinum alloy is disposed on the first catalyst layer 112 on the solid polymer electrolyte membrane 100 side where the reaction tends to concentrate. A palladium alloy is disposed on the second catalyst layer 114 on the gas diffusion layer 120 side. Thus, platinum or platinum alloy is unevenly distributed on the solid polymer electrolyte membrane side, and palladium alloy is unevenly distributed on the side opposite to the solid polymer electrolyte membrane, thereby reducing the amount of platinum used and reducing the production cost of MEA. Can be reduced. Although FIG. 2 shows an embodiment in which the cathode catalyst layer has a two-layer structure, the layers may not be clearly separated. For example, an embodiment in which the blending ratio of the platinum-based catalyst and the palladium-based catalyst is gradually changed, an embodiment having a laminated structure of three or more layers, and the like can be given.

白金系触媒とパラジウム系触媒とを使い分ける他の態様としては、カソード触媒層に供給されるガスの流路の形態に応じて、使用する触媒を使い分ける態様が挙げられる。通常はセパレータに形成されているガス流路135の下流側に対応する部位は、ガス流路135の上流側に対応する部位よりも触媒の劣化が激しくなる傾向がある。このため、ガス流路135の下流側に対応する部位には白金系触媒を用い、ガス流路135の上流側に対応する部位にはパラジウム系触媒を用いる。つまり、白金または白金合金をカソード触媒層に供給されるガスが通過するガス流路の下流側に偏在させ、パラジウム合金を、カソード触媒層に供給されるガスが通過するガス流路の上流側に偏在させる。   As another mode in which the platinum-based catalyst and the palladium-based catalyst are selectively used, there is a mode in which the catalyst to be used is properly used according to the form of the flow path of the gas supplied to the cathode catalyst layer. Usually, the portion corresponding to the downstream side of the gas flow path 135 formed in the separator tends to be more deteriorated in the catalyst than the portion corresponding to the upstream side of the gas flow path 135. For this reason, a platinum-based catalyst is used for a portion corresponding to the downstream side of the gas flow path 135, and a palladium-based catalyst is used for a portion corresponding to the upstream side of the gas flow path 135. That is, platinum or platinum alloy is unevenly distributed downstream of the gas flow path through which the gas supplied to the cathode catalyst layer passes, and palladium alloy is placed upstream of the gas flow path through which the gas supplied to the cathode catalyst layer passes. Make it unevenly distributed.

カソード触媒層における導電性炭素材料は、触媒の担体としての機能を有し、導電性を有する炭素材料である。電極反応が実際に進行する部位における電子の授受は、導電性炭素材料を通じて行われる。カソード触媒層の導電性炭素材料としては、カーボンブラックおよび黒鉛化されたカーボンブラックが挙げられる。カーボンブラックを黒鉛化処理することにより、カーボンブラック表面に存在する水酸基やカルボキシル基などの親水化させる官能基の数を低減させ、カーボンブラックを疎水化させることができる。また、黒鉛化されたカーボンブラックを用いた場合、固体高分子電解質膜−緩衝層−触媒層−ガス拡散層の方向に、撥水性の勾配を形成し、水の移動を促進することが可能である。また、比表面積が80〜350m/gのカーボンブラックを用いて、カソード触媒層に用いられる炭素材料のカーボン腐食耐性を高めることが好ましい。導電性炭素材料の触媒担持濃度は、特に限定されないが、担体の腐食を防止する観点からは、担体である導電性炭素材料の総質量に対して30〜70質量%であることが好ましい。 The conductive carbon material in the cathode catalyst layer is a carbon material having a function as a catalyst carrier and having conductivity. Transfer of electrons at the site where the electrode reaction actually proceeds is performed through a conductive carbon material. Examples of the conductive carbon material for the cathode catalyst layer include carbon black and graphitized carbon black. By graphitizing carbon black, the number of functional groups to be hydrophilized such as hydroxyl groups and carboxyl groups present on the surface of carbon black can be reduced, and carbon black can be hydrophobized. In addition, when graphitized carbon black is used, it is possible to form a water-repellent gradient in the direction of the solid polymer electrolyte membrane-buffer layer-catalyst layer-gas diffusion layer, and promote the movement of water. is there. Moreover, it is preferable to increase the carbon corrosion resistance of the carbon material used for the cathode catalyst layer by using carbon black having a specific surface area of 80 to 350 m 2 / g. Although the catalyst carrying | support density | concentration of an electroconductive carbon material is not specifically limited, From a viewpoint of preventing the corrosion of a support | carrier, it is preferable that it is 30-70 mass% with respect to the total mass of the electroconductive carbon material which is a support | carrier.

好ましくは、カソード触媒層の導電性炭素材料として、さらに、フッ素化合物を用いて疎水化処理されたカーボンブラックが用いられる。これにより、カソード触媒層の疎水性が向上する。フッ素化合物を用いて疎水化処理されたカーボンブラックの使用量は、カソード触媒層の導電性炭素材料の総質量に対して好ましくは1〜20質量%である。この範囲の量を配合することにより、初期から長期間経過後まで、かつ、低電流密度〜高電流密度にわたり、高い発電性能を発現させ、耐久性を改善し高い寿命特性を実現できる。   Preferably, carbon black that has been further hydrophobized with a fluorine compound is used as the conductive carbon material of the cathode catalyst layer. This improves the hydrophobicity of the cathode catalyst layer. The amount of carbon black hydrophobized using a fluorine compound is preferably 1 to 20% by mass with respect to the total mass of the conductive carbon material of the cathode catalyst layer. By blending an amount in this range, high power generation performance can be developed from the initial stage to after a long period of time and from low current density to high current density, durability can be improved, and high life characteristics can be realized.

なお、疎水化処理の例としては、ポリテトラフルオロエチレンでカーボンブラックを処理する方法が挙げられる。   An example of the hydrophobization treatment is a method of treating carbon black with polytetrafluoroethylene.

また、好ましくは、カソード触媒層の導電性炭素材料として、さらに、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、またはカーボンナノホーンが用いられる。カーボンブラックよりも黒鉛化度の高い、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、またはカーボンナノホーンを添加することによって、カソード触媒層内の疎水性を向上させ、劣化に起因する三相構造の破壊を抑制することができる。場合によっては、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、またはカーボンナノホーンの2種または3種を併用してもよい。カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、またはカーボンナノホーンの使用量は、カソード触媒層の導電性炭素材料の総質量に対して1〜20質量%である。この範囲の量を配合することにより、初期から長期間経過後まで、かつ、低電流密度〜高電流密度にわたり高い発電性能を発現させ、耐久性を改善し高い寿命特性を実現できる。   Preferably, carbon nanotubes, carbon nanofibers, or carbon nanohorns are further used as the conductive carbon material of the cathode catalyst layer. By adding carbon nanotubes, carbon nanofibers, or carbon nanohorns that have a higher degree of graphitization than carbon black, the hydrophobicity in the cathode catalyst layer is improved and the destruction of the three-phase structure due to deterioration is suppressed. Can do. Depending on the case, two or three types of carbon nanotubes, carbon nanofibers, or carbon nanohorns may be used in combination. The usage-amount of a carbon nanotube, carbon nanofiber, or carbon nanohorn is 1-20 mass% with respect to the total mass of the electroconductive carbon material of a cathode catalyst layer. By blending an amount in this range, high power generation performance can be exhibited from the initial stage to after a long period of time and from low current density to high current density, durability can be improved, and high life characteristics can be realized.

また、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、およびカーボンナノホーンは、触媒を担持させずにカソード触媒層に含ませてもよい。   Carbon nanotubes, carbon nanofibers, and carbon nanohorns may be included in the cathode catalyst layer without supporting the catalyst.

プロトン伝導性の高分子電解質は、アノード触媒層の説明において説明した通りであるため、ここでは説明を省略する。   The proton conductive polymer electrolyte is the same as described in the description of the anode catalyst layer, and therefore the description thereof is omitted here.

本発明のMEAは、発電特性に優れ、また、低コストで製造することが可能である。そして、本発明のMEAを用いて作製されるPEFCは、低コストで製造できる。その上、耐久性に優れ、長期間に渡ってPEFCを使用した場合であっても、発電特性の低下が少ない。このような特性は、長期間に渡る耐久性が求められる用途において、特に有益である。かような用途としては、車両が挙げられる。本発明のPEFCは長期間に渡って発電特性が維持されうるため、本発明のPEFCを搭載してなる車両の寿命の長期化や車両価値の向上が達成されうる。   The MEA of the present invention is excellent in power generation characteristics and can be manufactured at low cost. And PEFC produced using MEA of this invention can be manufactured at low cost. In addition, the durability is excellent, and even when PEFC is used for a long period of time, the power generation characteristics are hardly deteriorated. Such characteristics are particularly beneficial in applications that require durability over a long period of time. Such applications include vehicles. Since the power generation characteristics of the PEFC of the present invention can be maintained over a long period of time, the life of a vehicle equipped with the PEFC of the present invention can be prolonged and the vehicle value can be improved.

以下、実施例を用いて、より具体的に本発明を説明する。なお、本発明が下記実施例に限定されることはない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. In addition, this invention is not limited to the following Example.

(実施例1)
1.アノード触媒の調製
導電性材料としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックTMEC、BET表面積=800m/g)4gを準備した。
Example 1
1. Preparation of anode catalyst As a conductive material, 4 g of carbon black (Ketjen Black TM EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) was prepared.

ケッチェンブラックEC4.0g、硝酸コバルト水溶液(Co濃度0.5%)100gを加えて1時間撹拌した。さらに、還元剤としてテトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液(濃度0.5%)50gを混合し、1時間攪拌した。   Ketjen Black EC 4.0 g and cobalt nitrate aqueous solution (Co concentration 0.5%) 100 g were added and stirred for 1 hour. Further, 50 g of an aqueous tetramethylammonium hydroxide solution (concentration: 0.5%) was mixed as a reducing agent and stirred for 1 hour.

次に、前記混合液に硝酸パラジウム水溶液(Pd濃度1.0%)400gを加えて1時間撹拌し、さらに、還元剤としてプロパノール50gを混合し、1時間攪拌した。その後、30分で60℃まで加温し、60℃で12時間撹拌した。その後、30分で90℃まで加温し、さらに、90℃で12時間撹拌した後、1時間で室温まで降温した。沈殿物を濾過した後、得られた固形物を減圧下85℃において12時間乾燥し、乳鉢で粉砕した。これを、不活性ガス雰囲気下、650℃で2時間熱処理し、パラジウム−コバルト(Pd/Co=3/1)担持カーボンを調製し、これをアノード触媒として用いた。   Next, 400 g of an aqueous palladium nitrate solution (Pd concentration: 1.0%) was added to the mixed solution and stirred for 1 hour, and 50 g of propanol as a reducing agent was further mixed and stirred for 1 hour. Then, it heated up to 60 degreeC in 30 minutes, and stirred at 60 degreeC for 12 hours. Then, it heated up to 90 degreeC in 30 minutes, and also, after stirring at 90 degreeC for 12 hours, it cooled to room temperature in 1 hour. After filtering the precipitate, the obtained solid was dried under reduced pressure at 85 ° C. for 12 hours and pulverized in a mortar. This was heat-treated at 650 ° C. for 2 hours under an inert gas atmosphere to prepare palladium-cobalt (Pd / Co = 3/1) -supported carbon, which was used as an anode catalyst.

2.カソード触媒の調製
カーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックTMEC)を、2700℃で10時間黒鉛化処理することにより、黒鉛化処理されたカーボンブラック(グラファイト化ケッチェンブラック)を得た。黒鉛化処理されたケッチェンブラック4.0gに、ジニトロジアンミン白金水溶液(Pt濃度1.0%)400gを加えて1時間撹拌した。さらに、還元剤として蟻酸50gを混合し、1時間攪拌した。その後、30分で40℃まで加温し、40℃で6時間撹拌した。30分で60℃まで加温し、さらに、60℃で6時間撹拌した後、1時間で室温まで降温した。沈殿物を濾過した後、得られた固形物を減圧下85℃において12時間乾燥し、乳鉢で粉砕し、白金担持カーボンを調製し、これをカソード触媒として用いた。
2. Preparation of Cathode Catalyst Graphitized carbon black (graphitized Ketjen black) is obtained by graphitizing carbon black (Ketjen Black TM EC manufactured by Ketjen Black International) at 2700 ° C. for 10 hours. It was. 400 g of a dinitrodiammine platinum aqueous solution (Pt concentration: 1.0%) was added to 4.0 g of Ketjen Black subjected to graphitization treatment, followed by stirring for 1 hour. Further, 50 g of formic acid as a reducing agent was mixed and stirred for 1 hour. Then, it heated up to 40 degreeC in 30 minutes, and stirred at 40 degreeC for 6 hours. The mixture was heated to 60 ° C. in 30 minutes, further stirred at 60 ° C. for 6 hours, and then cooled to room temperature in 1 hour. After filtering the precipitate, the obtained solid was dried under reduced pressure at 85 ° C. for 12 hours and pulverized in a mortar to prepare platinum-supported carbon, which was used as a cathode catalyst.

3.アノード触媒層の作製
アノード触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにプロトン伝導性高分子電解質を含む溶液(DuPont社製 20wt%Nafion(登録商標)含有)を加えた。得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるアノード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、触媒金属量が0.4mg/cmとなるように調整した。
3. Preparation of anode catalyst layer 5 times the amount of purified water was added to the mass of the anode catalyst, and vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing a proton conductive polymer electrolyte (containing 20 wt% Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont) was added. The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. An amount of the catalyst slurry corresponding to the desired thickness was printed on one side of the polytetrafluoroethylene sheet by screen printing and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed anode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. The coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of catalyst metal was 0.4 mg / cm 2 .

4.カソード触媒層の作製
カソード触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにプロトン伝導性高分子電解質を含む溶液(DuPont社製 20wt%Nafion(登録商標)含有)を加えた。得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、触媒金属量が0.4mg/cmとなるように調整した。
4). Preparation of cathode catalyst layer 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode catalyst, and vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing a proton conductive polymer electrolyte (containing 20 wt% Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont) was added. The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. An amount of the catalyst slurry corresponding to the desired thickness was printed on one side of the polytetrafluoroethylene sheet by screen printing and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. The coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of catalyst metal was 0.4 mg / cm 2 .

5.固体高分子電解質膜との接合
固体高分子電解質膜としてNafionTM111(膜厚25μm)と、先に作製したポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された触媒層とを重ね合わせた。その際には、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、カソード触媒層を、この順序で積層させた。その後、130℃、2.0MPaで、10分間ホットプレスを行った。
5. Joining to a solid polymer electrolyte membrane As a solid polymer electrolyte membrane, Nafion 111 (film thickness 25 µm) and a catalyst layer formed on the previously prepared polytetrafluoroethylene sheet were superposed. At that time, the anode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer were laminated in this order. Thereafter, hot pressing was performed at 130 ° C. and 2.0 MPa for 10 minutes.

6.MEAの性能評価
触媒層および固体高分子電解質膜を接合した後、その外部にガス拡散層(GDL)を配置し、膜電極接合体(MEA)を作製した。MEAの両面にガス流路付きガスセパレータを配置し、さらに金メッキしたステンレス製集電板で挟持して、評価用単セルとした。評価用単セルの、アノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には酸化剤として空気を供給した。両ガスとも供給圧力は大気圧とし、水素は58.6℃および相対湿度60%、空気は54.8℃および相対湿度50%、セル温度は70℃に設定した。また、水素利用率は67%、空気利用率は40%とした。この条件下で、電流密度1.0A/cmで発電させた際のセル電圧を初期セル電圧として測定した。
6). MEA Performance Evaluation After joining the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane, a gas diffusion layer (GDL) was placed outside thereof to produce a membrane electrode assembly (MEA). A gas separator with a gas flow path was disposed on both surfaces of the MEA, and was further sandwiched between gold-plated stainless steel current collector plates to form a single cell for evaluation. In the evaluation unit cell, hydrogen was supplied as a fuel to the anode side, and air was supplied as an oxidant to the cathode side. The supply pressure of both gases was atmospheric pressure, hydrogen was set to 58.6 ° C. and relative humidity 60%, air was set to 54.8 ° C. and relative humidity 50%, and the cell temperature was set to 70 ° C. The hydrogen utilization rate was 67% and the air utilization rate was 40%. Under this condition, the cell voltage when power was generated at a current density of 1.0 A / cm 2 was measured as the initial cell voltage.

続いて、60秒間発電した後発電を停止した。停止後、水素及び空気の供給を停止し、空気で単セルを置換し50秒間待機した。その後、10秒間アノード側に水素ガスを上記利用率の1/5で供給した。その後、アノード側に水素ガス、カソード側に空気を上記と同様の条件で供給し、再度、1.0A/cmの電流密度で60秒間発電した。また、この時の負荷電流は30秒間で0A/cmから1A/cmに増大させた。この発電・停止動作を実施し、セル電圧を測定して、発電性能を評価した。1.0A/cmの電流密度でのセル電圧が0.45Vになったときのサイクル数を、耐久性の評価値として用いた。構成および結果を表1に示す。 Subsequently, power generation was stopped after generating power for 60 seconds. After stopping, the supply of hydrogen and air was stopped, the single cell was replaced with air, and the system was on standby for 50 seconds. Thereafter, hydrogen gas was supplied to the anode side for 10 seconds at 1/5 of the above utilization rate. Thereafter, hydrogen gas was supplied to the anode side and air was supplied to the cathode side under the same conditions as described above, and power was generated again at a current density of 1.0 A / cm 2 for 60 seconds. The load current at this time was increased from 0 A / cm 2 to 1 A / cm 2 in 30 seconds. This power generation / stop operation was performed, the cell voltage was measured, and the power generation performance was evaluated. The number of cycles when the cell voltage at a current density of 1.0 A / cm 2 was 0.45 V was used as the durability evaluation value. The configuration and results are shown in Table 1.

(実施例2)
アノード触媒の触媒金属量を0.1mg/cmに調整した以外は、実施例1と同様にしてPEFCを作製した。この評価用PEFCに対して発電性能を評価した。構成および結果を表1に示す。
(Example 2)
A PEFC was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of the catalyst metal of the anode catalyst was adjusted to 0.1 mg / cm 2 . The power generation performance was evaluated for this evaluation PEFC. The configuration and results are shown in Table 1.

(実施例3)
カソード触媒として、白金−コバルト合金を用いた以外は、実施例2と同様にしてPEFCを作製した。この評価用PEFCに対して発電性能を評価した。構成および結果を表1に示す。
(Example 3)
A PEFC was produced in the same manner as in Example 2 except that a platinum-cobalt alloy was used as the cathode catalyst. The power generation performance was evaluated for this evaluation PEFC. The configuration and results are shown in Table 1.

(実施例4)
パラジウム−コバルト(Pd/Co=3/1)のトリメチルアンモニウム錯体保護コロイド(TMAコロイド)分散溶液(Pd濃度1%)400gに、カーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックTMEC、BET表面積=800m/g)4gを加えて1時間撹拌した。さらに、還元剤として一酸化炭素ガスをバブリングしながら、1時間攪拌した。その後、30分で60℃まで加温し、60℃で12時間撹拌した後、1時間で室温まで降温した。沈殿物を濾過した後、得られた固形物を減圧下85℃において12時間乾燥し、乳鉢で粉砕した。これを、不活性ガス雰囲気下、650℃で2時間熱処理し、前記カーボンブラックにパラジウム−コバルト(Pd/Co=3/1)が担持されたアノード触媒を得た。
Example 4
400 g of a palladium-cobalt (Pd / Co = 3/1) trimethylammonium complex-protected colloid (TMA colloid) dispersion (Pd concentration 1%) was added to carbon black (Ketjen Black EC, BET manufactured by Ketjen Black International). 4 g of surface area = 800 m 2 / g) was added and stirred for 1 hour. Furthermore, it stirred for 1 hour, bubbling carbon monoxide gas as a reducing agent. Thereafter, the mixture was heated to 60 ° C. in 30 minutes, stirred at 60 ° C. for 12 hours, and then cooled to room temperature in 1 hour. After filtering the precipitate, the obtained solid was dried under reduced pressure at 85 ° C. for 12 hours and pulverized in a mortar. This was heat-treated at 650 ° C. for 2 hours under an inert gas atmosphere to obtain an anode catalyst in which palladium-cobalt (Pd / Co = 3/1) was supported on the carbon black.

前記アノード触媒を用い、アノード触媒層における触媒金属量を0.1mg/cmに調整した以外は、実施例1と同様にしてPEFCを作製した。この評価用PEFCに対して発電性能を評価した。構成および結果を表1に示す。 A PEFC was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst was used and the amount of catalyst metal in the anode catalyst layer was adjusted to 0.1 mg / cm 2 . The power generation performance was evaluated for this evaluation PEFC. The configuration and results are shown in Table 1.

(実施例5)
カソード触媒層を下記の手順に従って2層構造にし、MEAを作製する際に第1カソード触媒層が固体高分子電解質膜と接触し、第2カソード触媒層がガス拡散層と接触するようにした以外は実施例2と同様にしてPEFCを作製した。
(Example 5)
The cathode catalyst layer is made into a two-layer structure according to the following procedure, except that the first cathode catalyst layer is in contact with the solid polymer electrolyte membrane and the second cathode catalyst layer is in contact with the gas diffusion layer when the MEA is produced. Produced a PEFC in the same manner as in Example 2.

Pd−Co担持カーボンの質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにプロトン伝導性高分子電解質を含む溶液(DuPont社製20wt%Nafion(登録商標)含有)を加えた。得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを印刷し、60℃で24時間乾燥させることにより、ポリテトラフルオロエチレンシートの片面に第2カソード触媒層が形成された塗布シートAを得た。形成される第2カソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、触媒金属量が0.2mg/cmとなるように調整した。 Five times the amount of purified water was added to the mass of the Pd—Co-supported carbon, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing a proton conductive polymer electrolyte (containing 20 wt% Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont) was added. The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. The catalyst slurry in an amount corresponding to a desired thickness is printed on one side of the polytetrafluoroethylene sheet by a screen printing method and dried at 60 ° C. for 24 hours. A coated sheet A on which a cathode catalyst layer was formed was obtained. The size of the formed second cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. The coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of catalyst metal was 0.2 mg / cm 2 .

次に、Pt担持カーボンの質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにプロトン伝導性高分子電解質を含む溶液(DuPont社製20wt%Nafion(登録商標)含有)を加えた。得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、上記塗布シートAに、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを印刷し、60℃で24時間乾燥させることにより、第1カソード触媒層を作製した。形成される第1カソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の全塗布層は、触媒金属量を0.4mg/cm(Pt0.2mg/cm、Pd−Co0.2mg/cm)となるように調整した。 Next, 5 times the amount of purified water was added to the mass of the Pt-supported carbon, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing a proton conductive polymer electrolyte (containing 20 wt% Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont) was added. The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. The first cathode catalyst is obtained by printing a catalyst slurry in an amount corresponding to a desired thickness on the coated sheet A by screen printing on one side of a polytetrafluoroethylene sheet and drying at 60 ° C. for 24 hours. A layer was made. The size of the first cathode catalyst layer to be formed was 5 cm × 5 cm. In addition, the entire coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of catalyst metal was 0.4 mg / cm 2 (Pt 0.2 mg / cm 2 , Pd—Co 0.2 mg / cm 2 ).

なお、第1カソード触媒層に用いたPt担持カーボンは、触媒として白金、担体としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックTMEC)を2700℃で10時間黒鉛化処理することにより、黒鉛化処理されたカーボンブラック(グラファイト化ケッチェンブラック)を用いた。また、第2カソード触媒層に用いたPd−Co担持カーボンは、触媒としてパラジウム−コバルト合金、担体としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックTMEC)を2700℃で10時間黒鉛化処理することにより、黒鉛化処理されたカーボンブラック(グラファイト化ケッチェンブラック)を用いた。 Incidentally, Pt-loaded carbon was used for the first cathode catalyst layer, platinum as a catalyst, by carbon black carrier (Ketjen Black International Co. Ketjenblack TM EC) for processing 10 hours graphitized at 2700 ° C., Graphitized carbon black (graphitized ketjen black) was used. The Pd—Co-supported carbon used for the second cathode catalyst layer is graphitized at 2700 ° C. for 10 hours using a palladium-cobalt alloy as a catalyst and carbon black (Ketjen Black EC manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd.) as a carrier. By processing, carbon black (graphitized Ketjen black) that was graphitized was used.

(実施例6)
カーボンナノファイバーをカソード触媒層に配合する以外は、実施例5と同様にしてPEFCを作製した。この評価用PEFCに対して発電性能を評価した。構成および結果を表1に示す。
(Example 6)
A PEFC was produced in the same manner as in Example 5 except that carbon nanofibers were blended in the cathode catalyst layer. The power generation performance was evaluated for this evaluation PEFC. The configuration and results are shown in Table 1.

(比較例1)
アノード触媒として、白金を担持するカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックTMEC)を用いた以外は、実施例1と同様にしてPEFCを作製した。この評価用PEFCに対して発電性能を評価した。構成および結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
As an anode catalyst, except for using carbon black carrying a platinum (Ketjen Black International Co. Ketjenblack TM EC) was prepared PEFC in the same manner as in Example 1. The power generation performance was evaluated for this evaluation PEFC. The configuration and results are shown in Table 1.

(比較例2)
アノード触媒として、白金を担持するカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックTMEC)を用いた以外は、実施例2と同様にしてPEFCを作製した。この評価用PEFCに対して発電性能を評価した。構成および結果を表1に示す。
(Comparative Example 2)
As an anode catalyst, except for using carbon black carrying a platinum (Ketjen Black International Co. Ketjenblack TM EC) was prepared PEFC in the same manner as in Example 2. The power generation performance was evaluated for this evaluation PEFC. The configuration and results are shown in Table 1.

(比較例3)
カソード触媒として、パラジウム−コバルト合金を担持するカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックTMEC)を用いた以外は、比較例1と同様にしてPEFCを作製した。この評価用PEFCに対して発電性能を評価した。構成および結果を表1に示す。
(Comparative Example 3)
As the cathode catalyst, a palladium - cobalt alloy except for using carbon black carrying (Ketjen Black International Co. Ketjenblack TM EC) and was prepared PEFC in the same manner as in Comparative Example 1. The power generation performance was evaluated for this evaluation PEFC. The configuration and results are shown in Table 1.

Figure 2006260909
Figure 2006260909

表1からは、アノード触媒層における触媒として、パラジウム合金を用いて、優れた発電特性を有し、かつ、耐久性にも優れるPEFCを製造することが可能であることがわかる。また、実施例5および6の比較からは、カーボンナノファーバーを加えることによって、PEFCの耐久性が向上することがわかる。   From Table 1, it can be seen that a PEFC having excellent power generation characteristics and excellent durability can be produced using a palladium alloy as a catalyst in the anode catalyst layer. In addition, the comparison between Examples 5 and 6 shows that the durability of PEFC is improved by adding carbon nanofibers.

続いて、触媒の合金化および担体の黒鉛化の影響を以下の方法で調査した。   Subsequently, the effects of catalyst alloying and support graphitization were investigated by the following method.

表2に示す触媒および担体を用いた以外は、上述の実施例1と同様にして、評価用単セルを作製した。評価用単セルのアノード側に燃料として水素を供給し、カソード側に窒素を供給した。両ガスとも供給圧力は大気圧とし、水素は流量100L/minで相対湿度100%、窒素は流量200L/minで相対湿度100%、セル温度は70℃に設定し、電位を0.04V〜0.9Vまで操作して電流を取り出し、C−V曲線を得た。このC−V曲線の水素吸着ピークから、初期の電気化学的表面積(ECA)を求めた。   A single cell for evaluation was produced in the same manner as in Example 1 except that the catalyst and carrier shown in Table 2 were used. Hydrogen was supplied as a fuel to the anode side of the evaluation single cell, and nitrogen was supplied to the cathode side. The supply pressure for both gases is atmospheric pressure, hydrogen is set at a flow rate of 100 L / min at a relative humidity of 100%, nitrogen is set at a flow rate of 200 L / min at a relative humidity of 100%, the cell temperature is set at 70 ° C., and the potential is set at 0.04 V to 0 The current was taken out by operating up to .9 V, and a CV curve was obtained. From the hydrogen adsorption peak of this CV curve, the initial electrochemical surface area (ECA) was determined.

次に、評価用単セルの、アノード側に燃料として水素を供給し、カソード側に窒素を供給した。両ガスとも供給圧力は大気圧とし、水素は流量500L/minで相対湿度100%、窒素は流量500L/minで相対湿度100%、セル温度は70℃に設定し、外部から0.6Vと0.95Vの電位を5秒周期で繰り返し付加した。電位付加操作を7520回行った後、アノード側に燃料として水素を供給し、カソード側は窒素を供給した。両ガスとも供給圧力は大気圧とし、水素は流量100L/minで相対湿度100%、窒素は流量200L/minで相対湿度100%、セル温度は70℃に設定し、電位を0.04V〜0.9Vまで操作して、電流を取り出し、C−V曲線を得た。このC−V曲線の水素吸着ピークから電位サイクル試験後の電気化学的表面積(ECA)を求めた。   Next, hydrogen was supplied as fuel to the anode side of the evaluation unit cell, and nitrogen was supplied to the cathode side. The supply pressure for both gases is atmospheric pressure, hydrogen is set at a flow rate of 500 L / min at a relative humidity of 100%, nitrogen is set at a flow rate of 500 L / min at a relative humidity of 100%, the cell temperature is set at 70 ° C. A potential of .95 V was repeatedly applied at a cycle of 5 seconds. After the potential application operation was performed 7520 times, hydrogen was supplied as fuel to the anode side, and nitrogen was supplied to the cathode side. The supply pressure for both gases is atmospheric pressure, hydrogen is set at a flow rate of 100 L / min at a relative humidity of 100%, nitrogen is set at a flow rate of 200 L / min at a relative humidity of 100%, the cell temperature is set at 70 ° C., and the potential is set at 0.04 V to 0 The current was taken out by operating up to .9 V, and a CV curve was obtained. The electrochemical surface area (ECA) after the potential cycle test was determined from the hydrogen adsorption peak of this CV curve.

初期のECAおよび電位サイクル試験後のECAから、カソードにおけるECA低下率を算出した。ECA低下率は、ECA低下率(%)=100−(電位サイクル試験後のECA/初期のECA)×100、により求めた。ECA低下率が小さいほど、耐久性に優れることを示す。   The ECA decrease rate at the cathode was calculated from the initial ECA and the ECA after the potential cycle test. The ECA reduction rate was determined by ECA reduction rate (%) = 100− (ECA after potential cycle test / initial ECA) × 100. It shows that it is excellent in durability, so that ECA fall rate is small.

Figure 2006260909
Figure 2006260909

表2に示すように、白金やパラジウムを合金化することによって、耐久性が向上し、ECA低下率が少なくなっていることがわかる。また、担体を黒鉛化することによっても、耐久性が向上し、ECA低下率が少なくなっていることがわかる。   As shown in Table 2, it can be seen that by alloying platinum or palladium, the durability is improved and the ECA reduction rate is reduced. It can also be seen that graphitizing the carrier improves durability and reduces the ECA reduction rate.

本発明のPEFCは、各種動力源として用いられる。耐久性に優れる本発明のPEFCは、例えば、車両の動力源として用いられる。   The PEFC of the present invention is used as various power sources. The PEFC of the present invention that is excellent in durability is used as a power source of a vehicle, for example.

本発明のPEFCの一実施形態の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of one Embodiment of PEFC of this invention. カソード側の触媒層が二層構造となっているPEFCの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of PEFC in which the cathode-side catalyst layer has a two-layer structure.

符号の説明Explanation of symbols

10…PEFC、20…MEA、100…固体高分子電解質膜、110…触媒層、112…第1触媒層、114…第2触媒層、120…ガス拡散層、130…セパレータ、135…流路、140…集電体。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... PEFC, 20 ... MEA, 100 ... Solid polymer electrolyte membrane, 110 ... Catalyst layer, 112 ... 1st catalyst layer, 114 ... 2nd catalyst layer, 120 ... Gas diffusion layer, 130 ... Separator, 135 ... Channel, 140 ... Current collector.

Claims (15)

パラジウム合金、前記パラジウム合金を担持する導電性炭素材料、およびプロトン伝導性の高分子電解質を含むアノード触媒層と、
固体高分子電解質膜と、
触媒、前記触媒を担持する導電性炭素材料、およびプロトン伝導性の高分子電解質を含むカソード触媒層と、
を有する膜電極接合体。
An anode catalyst layer comprising a palladium alloy, a conductive carbon material supporting the palladium alloy, and a proton-conductive polymer electrolyte;
A solid polymer electrolyte membrane;
A cathode catalyst layer comprising a catalyst, a conductive carbon material supporting the catalyst, and a proton-conductive polymer electrolyte;
A membrane electrode assembly.
前記パラジウム合金の含有量は、前記アノード触媒層中の触媒の総質量に対して10〜100質量%である、請求項1に記載の膜電極接合体。 2. The membrane / electrode assembly according to claim 1, wherein the content of the palladium alloy is 10 to 100 mass% with respect to the total mass of the catalyst in the anode catalyst layer. 前記パラジウム合金は、パラジウム−コバルト合金である、請求項1または2に記載の膜電極接合体。 The membrane electrode assembly according to claim 1 or 2, wherein the palladium alloy is a palladium-cobalt alloy. 前記パラジウム−コバルト合金におけるパラジウムとコバルトとの存在比は、Pd/Co=5/1〜2/1である、請求項3に記載の膜電極接合体。 The membrane electrode assembly according to claim 3, wherein the abundance ratio of palladium to cobalt in the palladium-cobalt alloy is Pd / Co = 5/1 to 2/1. 前記パラジウム−コバルト合金は、表面がパラジウム金属で被覆されている、請求項3または4に記載の膜電極接合体。 The membrane electrode assembly according to claim 3 or 4, wherein the palladium-cobalt alloy has a surface coated with palladium metal. 前記パラジウム合金の平均粒子径が3〜10nmである、請求項1〜5のいずれか1項に記載の膜電極接合体。 The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 5, wherein an average particle diameter of the palladium alloy is 3 to 10 nm. 前記パラジウム合金を担持する導電性炭素材料は、カーボンブラックまたは黒鉛化されたカーボンブラックであり、前記パラジウム合金の担持濃度が担体の総質量に対して30〜70質量%である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の膜電極接合体。 The conductive carbon material carrying the palladium alloy is carbon black or graphitized carbon black, and the carrying concentration of the palladium alloy is 30 to 70% by mass with respect to the total mass of the carrier. 7. The membrane electrode assembly according to any one of 6 above. 前記パラジウム合金は、コロイド法および/または逆ミセル法により、前記導電性炭素材料に担持されてなる、請求項1〜7のいずれか1項に記載の膜電極接合体。 The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 7, wherein the palladium alloy is supported on the conductive carbon material by a colloidal method and / or a reverse micelle method. 前記カソード触媒層の触媒は、白金または白金合金、およびパラジウム合金である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の膜電極接合体。 The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 8, wherein a catalyst of the cathode catalyst layer is platinum, a platinum alloy, or a palladium alloy. 前記白金または前記白金合金は前記固体高分子電解質膜側に偏在し、前記パラジウム合金は前記固体高分子電解質膜と対向する側に偏在する、請求項9に記載の膜電極接合体。 The membrane electrode assembly according to claim 9, wherein the platinum or the platinum alloy is unevenly distributed on the solid polymer electrolyte membrane side, and the palladium alloy is unevenly distributed on the side facing the solid polymer electrolyte membrane. 前記白金または前記白金合金は、前記カソード触媒層に供給されるガスが通過するガス流路の下流側に偏在し、前記パラジウム合金は、前記カソード触媒層に供給されるガスが通過するガス流路の上流側に偏在する、請求項9に記載の膜電極接合体。 The platinum or the platinum alloy is unevenly distributed downstream of the gas flow path through which the gas supplied to the cathode catalyst layer passes, and the palladium alloy is a gas flow path through which the gas supplied to the cathode catalyst layer passes. The membrane electrode assembly according to claim 9, wherein the membrane electrode assembly is unevenly distributed upstream. 前記カソード触媒層の導電性炭素材料として、フッ素化合物を用いて疎水化処理されたカーボンブラックが、前記カソード触媒層の導電性炭素材料の総質量に対して1〜20質量%含まれる、請求項1〜11のいずれか1項に記載の膜電極接合体。 The carbon black hydrophobized using a fluorine compound as the conductive carbon material of the cathode catalyst layer is contained in an amount of 1 to 20% by mass based on the total mass of the conductive carbon material of the cathode catalyst layer. The membrane electrode assembly according to any one of 1 to 11. 前記カソード触媒層の導電性炭素材料として、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、またはカーボンナノホーンが、前記カソード触媒層の導電性炭素材料の総質量に対して1〜20質量%含まれる、請求項1〜12のいずれか1項に記載の膜電極接合体。 The conductive carbon material of the cathode catalyst layer includes carbon nanotubes, carbon nanofibers, or carbon nanohorns in an amount of 1 to 20% by mass based on the total mass of the conductive carbon material of the cathode catalyst layer. 13. The membrane electrode assembly according to any one of 12 above. 請求項1〜13のいずれか1項に記載の膜電極接合体を有する固体高分子型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 13. 請求項14に記載の固体高分子型燃料電池を搭載する車両。 A vehicle on which the polymer electrolyte fuel cell according to claim 14 is mounted.
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